(57)【要約】【課題】磁気インピーダンス素子とその周辺回路とを一体化した磁気インピーダンスセンサの小型化を図る。【解決手段】非磁性基板３上に、例えば短冊状磁性薄膜１と電極パッド２を形成した磁気インピーダンス素子と、その周辺回路となる集積回路（ＩＣチップ）４とをバンプ５を介し、面実装の一種であるフリップチップボンディングにて接続することにより、浮遊容量の影響を抑制しつつ磁気インピーダンスセンサの大きさを、集積回路または磁気インピーダンス素子の大きさにまで小型化できるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性基板に高透磁率の短冊状磁性薄膜またはこれらを交互に接続したつづら折れパターンを形成し、その磁性薄膜に高周波電流を通電することで外部磁界により磁性体のインピーダンスが変化する磁気インピーダンス効果をもつ磁気インピーダンス素子と、その周辺回路としての集積回路とを、面実装によって一体化したことを特徴とする磁気インピーダンスセンサ。
【請求項２】
前記短冊状磁性薄膜またはこれらを交互に接続したつづら折れパターンを、同一の非磁性基板上に２つ以上形成したことを特徴とする請求項１に記載の磁気インピーダンスセンサ。
【請求項３】
前記短冊状磁性薄膜またはこれらを交互に接続したつづら折れパターンを、２つ以上の非磁性基板上にそれぞれ形成したことを特徴とする請求項１に記載の磁気インピーダンスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、磁界検出を行なう磁気センサおよびこれを用いた電流センサ、特に磁気インピーダンス効果をもつ高感度磁気インピーダンス素子を用いた磁気インピーダンスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報機器や計測・制御機器の高性能化、小型薄型化、低コスト化が急速に進み、これらの急速な発展に伴いそこで用いられる磁気センサ，電流センサなどにも小型、低コスト、高感度などの要求が高まっている。
従来から用いられている磁気センサとしてはホール素子，磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子），巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子），フラックスゲートセンサなどが知られており、また、電流センサとしてはカレントトランスを用いたものが知られている。
【０００３】
例えば、コンピュータの外部記憶装置として用いられるハードディスク装置の磁気ヘッドには、従来のバルクタイプの誘導型磁気ヘッドからＭＲヘッドへと高性能化が進んでおり、現在では巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を適用しようとする研究が活発に行なわれている。また、モータの回転センサであるロータリエンコーダではマグネットリングの微小化に伴い、外部に漏れる磁束が微弱になっており、現在のＭＲ素子に代わり高感度な磁気センサが要求されている。
ブレーカなども従来の機械式に代わり、電流センサを用いた電子式の開発が進んでいるが、従来のカレントトランスを用いるものでは小型化が困難であり、また、感度，検出レンジなどの点で磁気センサの高感度化，大レンジ化が求められている。
【０００４】
これらの要求を満たすために、アモルファスワイヤの磁気インピーダンス効果（ＭＩ効果とも言う）を用いた磁気インピーダンスセンサが、例えば特許文献１に提案されている。磁気インピーダンス効果とは、磁性体に高周波電流を通電した状態で外部磁界が変化すると磁性体の透磁率が変化し、それに伴って磁性体のインピーダンスが、磁界０のときと比較して数十〜数百％変化する現象である。このことから、磁性体両端の電圧を測定することにより、数百マイクロテスラ（μＴ）程度の微小な外部磁界を検出するものである。
上記のような磁気インピーダンス効果はアモルファスワイヤだけでなく、磁性薄帯や磁性薄膜でも同様に見られ、特に薄膜については小型，薄型化が可能であり、信頼性，量産性に優れるため、様々な構造のものが提案され、その１つに例えば特許文献２に示すものがある。
【０００５】
薄膜を用いた磁気インピーダンス素子は磁気異方性を付与され、一軸異方性を誘導した高透磁率軟磁性膜を短冊状に加工した磁性薄膜パターンで構成される。磁気異方性は磁性膜の成膜時に、磁界を印加しながら行ない、さらに回転磁界中や静止磁界中で１５０〜４００℃程度の熱処理をすることにより誘導される。磁化容易軸の方向は、一般的には短冊状構造の短軸（線幅）方向である。磁気インピーダンス素子はその長さ方向成分の磁界によって、インピーダンスが変化すると言う特性を示す。このときの磁気インピーダンス特性は、磁化容易軸が線幅の場合、磁場の正負でそれぞれインピーダンスのピークをとり、磁場の正負で対称であると言う特性を示す。また、その変化率は数十％から数百％と非常に大きな変化を示す。
【０００６】
長さ方向に磁気異方性を付与しても、磁気インピーダンス特性が発現する。そのときの特性は、磁界０のときインピーダンスが最も大きく、磁界の絶対値が大きくなるにつれて減少する特性になる。この場合も、インピーダンスは磁場の正負で対称になる。また、検出磁界方向も磁性薄膜パターンの長さ方向成分となる。
【０００７】
これらの磁気インピーダンス特性におけるインピーダンスの変化は、磁性薄膜パターンに高周波電流を通電している状態で、透磁率が変化することによって引き起こされるものである。インピーダンスを抵抗成分とインダクタンス成分に分離すると、両者ともに透磁率が変化することによって変化するが、抵抗値の大きい抵抗成分がその変化には支配的である。透磁率変化による抵抗変化は、基本的には高周波電流が磁性体中を流れるときに発生する表皮効果に起因するため、表皮効果を大きくするためには高周波電流の周波数を上げるか、または磁性薄膜パターンである磁性体の膜厚を厚くする方法が有効になる。
【０００８】
以上のように、磁気インピーダンス素子は磁界に対して大きくインピーダンスが変化することが特徴であるが、素子にバイアス磁界を印加し、磁界に対してインピーダンスの変化が大きい点で動作させることにより、磁界に対しさらに高感度に応答するセンサとなる。このバイアス磁界を印加するためには、素子の周りにコイル（バイアスコイル）を形成し、そのコイルに電流を流して磁界を発生させる必要がある。
また、感度の直線性を向上させる目的で、負帰還磁界をかける場合にもコイルが必要になる。アモルファスワイヤを用いた場合、そのワイヤの周りに直接Ｃｕワイヤなどを巻いてコイルを形成するが、薄膜で形成した磁気インピーダンス素子と同一基板上にコイルを薄膜で形成するものも既に提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００９】
すなわち、磁気インピーダンス素子にはアモルファスワイヤを用いたものと、薄膜を用いたものがあるが、特性の再現性（安定性），信頼性，量産性の面では薄膜を用いた方が有利であると言える。薄膜を用いた場合、ガラスなどの非磁性基板上にスパッタ法などを用いて成膜し、レジストなどの感光材料を用いて微細パターンを形成し、ウエットエッチングやイオンビームエッチングなどのドライエッチングを用いて、微細パターンに加工している。
ところで、以上のような磁気インピーダンス素子を利用する磁気インピーダンスセンサとして、磁気インピーダンス素子とその周辺回路である集積回路（ＩＣチップ）とを、プリント基板またはリードフレーム上に配置し、ＩＣパッケージ化したものが提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【００１０】
【特許文献１】特開平０６−２８１７１２号公報（第２−４頁、図１）
【特許文献２】特開平０８−０７５８３５号公報（第４頁、図１）
【特許文献３】特開平１１−１０９００６号公報（第３−４頁、図１）
【特許文献４】特開２００２−１９８５８２号公報（第１４頁、図２３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、上記特許文献４のような構造ではサイズが大きくなると言う問題がある。
小型化を図るため、Ｓｉ基板表面上に感磁部となる磁性薄膜と周辺回路としての集積回路を一体にして作製しようとする場合、磁気インピーダンス素子が磁性薄膜に高周波電流を通電することで、磁気インピーダンス効果が発現することを利用していることから、Ｓｉ基板と磁性薄膜間に発生する浮遊容量の影響により、精度の高い磁気計測ができなくなるという問題が生じる。
したがって、この発明の課題は、浮遊容量の影響を抑制して小型化を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、非磁性基板に高透磁率の短冊状磁性薄膜またはこれらを交互に接続したつづら折れパターンを形成し、その磁性薄膜に高周波電流を通電することで外部磁界により磁性体のインピーダンスが変化する磁気インピーダンス効果をもつ磁気インピーダンス素子と、その周辺回路としての集積回路とを、面実装によって一体化したことを特徴とする。
【００１３】
上記請求項１の発明においては、前記短冊状磁性薄膜またはこれらを交互に接続したつづら折れパターンを、同一の非磁性基板上に２つ以上（請求項２の発明）、または、２つ以上の非磁性基板上にそれぞれ形成することができる（請求項３の発明）。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、磁気インピーダンス素子と集積回路を、ワイヤレスボンディングの一種である面実装により接続することで、磁性薄膜と集積回路間で浮遊容量の影響を抑制して磁気インピーダンス素子と集積回路を一体化することができ、磁気インピーダンスセンサの大きさを集積回路、または磁気インピーダンス素子の大きさにまで小型化することが可能となる。特に、請求項２の発明によれば、より精度の高い磁気計測が可能になり、さらに、請求項３の発明によれば、この効果に加えて異なる特性を持つ磁気インピーダンス素子との組み合わせが可能になる、と言う利点も得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
[実施形態１]
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図で、同（ａ）は斜視図、同（ｂ）は非磁性基板の平面図を示す。
これは、非磁性基板３上に短冊状薄膜１と電極パッド２を形成した磁気インピーダンス素子と、集積回路（ＩＣチップ）４とをバンプ５によりフリップチップボンディングにて接続した磁気インピーダンスセンサの例である。
【００１６】
そのプロセスの概要は、以下の通りである。
非磁性体であるガラス基板３上に、ＲＦマグネトロンスパッタ法を用いて、アモルファス磁性薄膜１と電極材料を成膜した。電極パッド２のパターンを、レジストなどの感光材料を用いて微細パターンを形成した後に、ウエットエッチングによって電極パッド２の微細パターンを加工した。その後、レジストなどの感光材料を用いてアモルファス磁性薄膜１の微細パターンを形成し、磁界熱処理後にイオンビームエッチングによってアモルファス磁性薄膜１を微細パターンに加工した。ここでは、電極パッド２を先に形成したが、磁性薄膜パターン１を形成した後に電極パッド２を形成しても良い。また、短冊状磁性薄膜に代えて、つづら折れパターンにしても良いのは勿論である。
【００１７】
以上のように作製した磁気インピーダンス素子と、集積回路であるＩＣチップ４とをバンプを介してフリップチップボンディングし、磁気インピーダンスセンサを作製する。ここでは、接合方法としてＡｕのボール状バンプを超音波ボンディングで磁気インピーダンス素子側電極表面に形成し、そのボール状バンプを介して集積回路側電極と超音波フリップチップ接合するスタッドバンプ方法を用いたが、面実装の手法であればどの方法を用いても良い。フリップチップボンディングによって磁気インピーダンス素子と集積回路を接続することにより、両者の間に隙間が空くので、磁気インピーダンス素子に高周波電流を通電したときの浮遊容量の影響は、Ｓｉ上に直接磁気インピーダンス素子を形成した場合に比べて小さい。
図１では、磁気インピーダンス素子の感知部である短冊状磁性薄膜１を非磁性基板３の端に配置したが、図２のように中央部、または他の任意の位置に配置して構わない。その場合、集積回路の支持も兼ねて非磁性基板３の端の方にパッド８を形成すると良い。
【００１８】
図１と対応する従来例を図５に示す。これは、プリント基板６に磁気インピーダンス素子と集積回路４を配置し、両者をワイヤボンディング７で接続したもので、このような磁気インピーダンスセンサの大きさは、磁気インピーダンス素子と集積回路を合わせた大きさ以下になることはなく、小型化に限界があることが分かる。
これに対し、図１のような構成によれば、磁気インピーダンスセンサの大きさを、浮遊容量の影響を抑制して、磁気インピーダンス素子または集積回路の大きさにまで小型化できることになる。
【００１９】
[実施形態２]
図３はこの発明の第２の実施の形態を示す構成図で、同（ａ）は斜視図、同（ｂ）は非磁性基板の平面図を示す。
これは、非磁性基板３上に短冊状磁性薄膜１を２つ形成したものである。なお、作製方法は図１の場合と同じである。２つの磁気インピーダンス素子を用いることで磁気計測の精度を向上させる技術が、例えば特開２０００−２８４０３０号公報に開示されていることによるものである。ここでは、２つの短冊状磁性薄膜１を並列に配置しているが、磁気計測方式によっては互いに直交するように配置したり、任意の角度で交差するように配置しても良い。また、短冊状磁性薄膜ではなくつづら折れパターンとしても良いし、線幅や線間を異ならせるようにしても良い。
【００２０】
[実施形態３]
図４はこの発明の第２の実施の形態を示す構成図で、同（ａ）は斜視図、同（ｂ）は非磁性基板の平面図を示す。
図３では、２つの短冊状磁性薄膜１を１つの非磁性基板３上に形成したが、ここではそれぞれの非磁性基板３上に形成した点が異なっている。この構成によれば、特性の異なる磁気インピーダンス素子を、フリップチップボンディングによって集積回路と一体化することができる。
以上では、磁気インピーダンス素子を感磁部のみで構成したが、この発明は、磁場印加用の薄膜コイルと一体化したものに対しても適用することができる。また、上記ではフリップチップボンディングを用いたが、はんだ接合、導電接着など他の面実装の手法を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す構成図
【図２】図１の変形例を示す平面図
【図３】この発明の第２の実施形態を示す構成図
【図４】この発明の第３の実施形態を示す構成図
【図５】従来例を示す平面図
【符号の説明】
【００２２】
１…磁性膜、２…電極パッド、３…非磁性基板、４…集積回路（ＩＣチップ）、５…バンプ、６…プリント基板、７…ワイヤボンディング、８…バンプ用のパッド。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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